物理层与传输介质
物理層與傳輸介質
- 前言
- 一、常用的傳輸介質
- 二、同軸電纜
- 三、雙絞線
- 四、光纖
- 五、串口電纜
- 六、光纖和雙絞線的對比
- 七、廣域網接口
- 1、路由器物理接口的演進
- 2、以太網接口
- 2.1、10/100M以太網
- 2.2、1000M以太網
- 2.3、10G以太網
- 2.3、100G以太網
- 3、POS口
- 4、以太網口和POS口的區別
- 總結
前言
??物理層是OSI模型的最底層，也是TCP/IP對等模型的最底層，它的主要功能是為數據端設備提供傳送數據通路、傳輸數據，同時也規范了線纜、電壓、接口等特性。
??如果是通信專業的學生，在很多專業課學習的都是物理層的知識，比如《通信原理》中描述的端到端通信所需要經過的調制解調、復用技術、傳輸介質等。
??物理層雖然是計算機網絡中最簡單的一層，計算機學生只需要了解概念即可，但是在通信學生看來，確是需要經過最少大學4年的修煉。
一、常用的傳輸介質
??傳輸介質主要分為有線和無線，因為寫博文的目的是想分享一些日常在機房勞作的網工的知識，所以本節主要介紹一些目前常用的有線傳輸介質。包含同軸電纜、雙絞線、光纖、串口電纜。
二、同軸電纜
??自從家里換了電視之后。就再也沒見過同軸電纜了。小時候把那根線一拔，電視就泛白點，這也是我對同軸電纜的唯一印象。雖然現在網絡設備基本已不再使用，但是全球還有不少民用的存在，所以即使再過10-20年也可能依然存在。2018年世界杯的時候，解說員就說到，世界杯有一項要求就是比賽雙方的球隊除了球衣顏色要區分外，還必須身著深色和淺色球衣，這就是為了第三世界的國家在黑白電視上能分清楚雙方，而那種電視所用的信號線就是同軸電纜。
??同軸電纜是以太網傳輸介質的一種，目前在以太網中已經很少使用。華為HCIA官方教材給出的同軸電纜如下圖所示。
??同軸電纜的以太網標準有2種，分別是10BASE2和10BASE5。兩種標準的傳輸速率都可以達到10M，最長傳輸距離分別是185m和500m，前者稱為細同軸電纜，后者稱為粗同軸電纜，因為粗自然傳的遠啊，這很容易理解。對于以太網標準，可以參照這一篇博文：https://blog.csdn.net/leon1741/article/details/105882130
三、雙絞線
??所謂的雙絞線，就是我們日常使用的網線，如果不從事和網絡有關的職業，只能看到外面包裹的外層絕緣套和水晶頭，其實網線內部是兩兩絞合的，所以稱為雙絞線，絞合的目的是為了消除彼此間的電磁干擾。雙絞線一共有8根線，顏色分別為橙白、橙、綠白、藍、藍白、綠、棕白、棕。
??雙絞線分為屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair，UTP），區別在于屏蔽雙絞線的雙絞線和外層絕緣套之間有一層金屬屏蔽層。華為HCIA官方教材給出的雙絞線如下圖所示。接頭稱為RJ-45接頭，常被稱為水晶頭。
??雙絞線目前的標準如下表所示：
| CAT5（五類線） | 10BASE-T 100BASE-T | 100Mbps | 100m |
| CAT5e（超五類線） | 1000BASE-T | 1000Mbps | 100m |
| CAT6（六類線） | 1000BASE-T | 1000Mbps 10Gbps | 100m |
| CAT6A（超類線） | 10GBASE-T | 10Gbps | 100m |
| CAT7（七類線） | 10GBASE-T | 10Gbps | 100m |
??目前需要關注的就是五類和超五類線，也只有超五類及更高級別的雙絞線支持1G（千兆）以太網傳輸。在現網中也有部分設備，甚至在運營商城域核心網中也存在雙絞線作為傳輸介質，俗稱電口，下一小節要介紹的光纖稱為光口。
四、光纖
??同軸電纜和雙絞線傳輸的是電信號，而光纖傳輸的是光信號，光信號的傳輸速率更快，而且傳輸距離更遠，也是目前城域網高速率傳輸最常用的介質，光纖之父高琨因其而獲得2009年諾貝爾獎，對通信的發展做出了巨大的貢獻，沒有他就沒有現在的高速率上網。
??光纖的傳輸速率目前從10M、100M、1G、10G一直到400G，目前我見過的在運營商骨干網上，100G的以太網已經廣泛部署了。華為HCIA官方教材給出的光纖及接頭如下圖所示。
??光纖可以分為單模和多模光纖，單模只允許一種模式的光傳輸，多模可以允許多種模式的光。因為一種模式的光在傳輸時不存在模間色散，因此可以傳輸更長的距離。多種模式的光由于模間色散導致信號脈沖展寬嚴重，所以傳輸距離不長。目前光纖的傳輸距離最大能達到幾十公里，所以在城域網或者廣域網中需要部署波分和傳輸通道，對光信號進行中繼，使之可以傳輸更遠的距離。光纖常用的連接器包括ST、SC、FC、LC。
??10G及以下光纖的標準：
| 10BASE-F | 單模/多模 | 2000m |
| 100BASE-FX | 單模/多模 | 2000m |
| 1000BASE-LX | 單模/多模 | 316m |
| 1000BASE-SX | 多模 | 316m |
| 10GBASE-LR | 單模 | 10km |
| 10GBASE-ER | 單模 | 40km |
??2010年IEEE組織發布了IEEE802.3ba標準，同時定義了兩種傳輸速率（40G和100G），共有四種不同的標準:40GBASE-CR4、40GBASE-SR4、100GBASE-CR10、100GBASE-SR10。后期發布了IEEE802.3bg、IEEE802.3bj、IEEE802.3bm、IEEE802.3bq等標準。
??40G及以上部分光纖的標準：
| IEEE802.3ba | 40GBASE-SR4 100GBASE-SR10 | 多模 | 100m 125m |
| IEEE802.3bg | 40GBASE-FR | 單模 | 2000m |
| IEEE802.3bj | 不介紹 | 不介紹 | 不介紹 |
| IEEE802.3bm | 40GBASE-LR4 100GBASE-LR4 | 單模 | 10000m |
| IEEE802.3bq | 不介紹 | 不介紹 | 不介紹 |
??可以參考鏈接：
??https://www.gigalight.com/cn/bbs/faq-1510.html
??單模和多模光纖的對比：
| 顏色 | 黃色 | 淡綠色、橘紅色 |
| 纖芯 | 細 | 粗 |
| 材質 | 精致 | 普通 |
| 標識 | SM | MM |
| 色散 | 小 | 大 |
| 距離 | 遠 | 近 |
| 成本 | 高 | 低 |
五、串口電纜
??常用的串口電纜標準是RS-232，傳輸距離為6m，現在已經逐漸被USB取代了。RS-232沒有定義接頭的標準，常用的有DB-9和DB-25，V.24是RS-232標準的歐洲版。華為HCIA官方教材給出的串口電纜如下圖所示。
| V.24 | 1.2kbps-64kbps |
| V.35 | 1.2kbps-2.048kMbps |
六、光纖和雙絞線的對比
| 雙絞線 | 價格低 安裝簡單 | 傳輸速率低 傳輸距離短 | 目前超五類已經能達到1G傳輸速率 六類和超六類速率也較高 |
| 光纖 | 傳輸速率高 傳輸距離遠 抗干擾性好 | 成本高 安裝復雜 環境要求高 | 長距離、高速率的傳輸 光傳輸是未來的趨勢 |
七、廣域網接口
1、路由器物理接口的演進
??華為官方教材給出的路由器物理接口的演進圖如下所示，目前POS口已經成熟，且峰值速率只能達到40G，但是以太網還可以不斷發展，目前已經發布了400G標準。
2、以太網接口
??上文已經對介質中的標準和傳輸速率進行了介紹，這一小節對以太網速率對應的接口標準進行歸類。
??常見的以太網類型：
??10M以太網：標準以太網
??100M以太網：快速以太網
??1000M以太網：千兆以太網
??10000M以太網：萬兆以太網
??100000M以太網：100G以太網
??目前還有核心設備使用快速以太網，比如思科的7609就有以太網端口叫做FastEthernetkou，速率是100M。
2.1、10/100M以太網
??10BASE-T：采用兩對非屏蔽的3類、4類、5類雙絞線，T表示雙絞線（Twisted）。
??100BASE-TX：采用兩對屏蔽的雙絞線或者5類非屏蔽雙絞線，TX表示兩對高質量的雙絞線。
??100BASE-FX：采用兩根光纖，一根用于發送，一根用于接收，FX表示2根光纖。
2.2、1000M以太網
??1000BASE-T：超五類雙絞線
??1000BASE-SX：只用于多模
??1000BASE-LX：主要用于單模，也可以用于多模
2.3、10G以太網
??10GE以太網有兩類：
??串行的10BASE-S/L/E：
??10GBase-S：短距，850nm，多模
??10GBase-L：長距，1310nm，單模
??10GBase-E：超長距，1550nm，單模
2.3、100G以太網
??有IEEE802.3ba、IEEE802.3bg、IEEE802.3bj、IEEE802.3bm、IEEE802.3bq。
3、POS口
??對于POS口，目前應用較少，運營商骨干網上會有部分使用，但都已經逐漸退換，最大傳輸速率可以達到40G。
??POS：PacketOver SONET/SDH：在SONET/SDH上承載IP包或者其他包的傳輸技術。POS將長度可變的數據包直接映射進SONET同步載荷中，使用SONET物理層傳輸標準，提供了一種高速、可靠、點到點的數據連接，并采用光纖進行傳輸。具體原理我也不是很清楚。
??POS口的傳輸標準分為SONET和SDH。
??SONET（Synchronous Optical Network）：同步光纖網，是北美和日本的傳輸標準，采用OC-n速率格式。
??OC-n：Optical Carrier Level n（光載體等級）是光纖傳輸的一種單位，最小的單位為OC-1，速率是51.84Mbps（記住這個數字，OC-n速率就是51.84×n）。
??SDH（Synchronous Digital Hierarchy）：同步數字系列，歐洲、中國的傳輸標準，采用STM-n速率格式。
??STM：Synchronous Transport Module：同步傳輸模塊。
4、以太網口和POS口的區別
??1、兩者雖然都可以達到10G、40G，但是以太網可以達到更大速率。
??2、POS口采用PPP或者HDLC二層來封裝IP，報頭最長9字節，也可能是7字節。而以太網封裝報頭最少是18字節，所以POS口對IP報文的傳輸效率更高。
??3、以太網接口和單板價格更低，10G以太網接口是同速率POS口價格的近一半。
總結
??文章主要介紹了物理層常用的傳輸介質，以及對象的標準。同時介紹了各種以太網速率所對應的標準，最后介紹了POS口，以及它和以太口的區別。
總結
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